EP0630487A1 - Verfahren und vorrichtung zur darstellung eines arbeitsbereiches in einer dreidimensionalen struktur. - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur darstellung eines arbeitsbereiches in einer dreidimensionalen struktur.

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EP0630487A1
EP0630487A1 EP93905267A EP93905267A EP0630487A1 EP 0630487 A1 EP0630487 A1 EP 0630487A1 EP 93905267 A EP93905267 A EP 93905267A EP 93905267 A EP93905267 A EP 93905267A EP 0630487 A1 EP0630487 A1 EP 0630487A1
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EP
European Patent Office
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displacement path
plane
points
work area
viewing device
Prior art date
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EP93905267A
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Hans-Joachim Schulz
Hanns-Peter Tuemmler
Paul Wieneke
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Aesculap AG
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Aesculap AG
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Publication date
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    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/361—Image-producing devices, e.g. surgical cameras

Definitions

  • the invention relates to a method for displaying a work area in a three-dimensional structure, in which the work area is depicted with a viewing device.
  • the invention further relates to a device for displaying a work area in a three-dimensional structure with a viewing device of the work area.
  • the viewing devices When viewing three-dimensional structures with viewing devices, for example with endoscopes or microscopes, the viewing devices sharply depict a plane that is perpendicular to the optical axis of the viewing device and is arranged in the focal plane of the viewing device, so that a viewer is either directly or below Interposition of a camera and a monitor indirectly one level of the three- dimensional structure.
  • the three-dimensional structure can be arbitrary, it can be, for example, the inside of a machine, a biological preparation or a human or animal body. These structures are often extremely complicated, so that it is advantageous not to decide only when actually viewing the structure how the viewing device or an instrument is to be advanced in the structure in order to reach a specific point, but rather it proves to be favorable to plan the feed path in advance.
  • This object is achieved according to the invention in a method of the type described at the outset by determining the relative positioning of the viewing device relative to the structure, by predetermined the coordinates of a displacement path for an instrument or for the viewing device in the structure, it compares with the respective positioning and shows the displacement path correctly in the illustration of the work area.
  • one proceeds in such a way that one level of the structure is successively depicted with the viewing device and the point or points of intersection of the displacement path in the observed level are depicted in the observed level in the depiction of the level observed.
  • this level can be calculated with a predetermined displacement path in the structure and thereby it can be exactly determined in which position of the depicted plane the predetermined displacement path penetrates this plane. If the optical axis of the viewing device is arranged exactly in the point of penetration of the predetermined displacement path, this point of penetration is located in the middle of the observed area, with a lateral deviation of the displacement path from the optical axis at a distance from the center of the image.
  • This point of penetration in the observed plane is additionally represented in the method according to the invention, for example by superimposing it on a monitor or by inserting a correspondingly positioned image into the beam path of the microscope.
  • the observer can thus simultaneously observe the image of the plane shown that is actually transmitted by the viewing device and a marking which indicates the point of penetration of the predetermined displacement path through this plane.
  • the displacement path is intended for the displacement movement of the viewing device itself, it can be positioned by lateral displacement of the viewing device relative to the structure in such a way that the piercing point is arranged in the optical axis, that is to say the observer displaces the viewing device relative to the structure until the marking of the piercing point coincides with the crosshair in the illustration. If this takes place in each plane, it is ensured that the optical viewing device is displaced along the predetermined displacement path. If the displacement path is intended for an instrument, the user observes the actual position of the instrument in the observed plane and shifts the instrument sideways so that it coincides with the marking of the piercing point. If this is done in all levels, it is ensured that the instrument is guided along the predetermined displacement path.
  • one level after the other must be observed in order to correct the displacement movement of an instrument or the viewing device, the penetration points moving in accordance with the predetermined displacement path.
  • the level or points of intersection of the displacement path or at least one plane adjacent to the viewing plane is shown in each plane. So in the observed representation there are not only the puncture points in the observed plane shown, but also penetration points, for example, in a parallel plane above and below. If the displacement path is perpendicular to the planes, there is still only one marking, but if it is inclined with respect to the observed planes, the corresponding marking points lie side by side in the representation.
  • the viewer can therefore also recognize the direction in which, for example, an instrument has to be moved if the instrument is moved perpendicularly to the observed plane into a lower or a higher level. This can be the case for a larger number of levels, so that the displacement path is practically projected into the observed level.
  • intersection points of different planes are connected by a line in the illustration.
  • the puncture point or points through the observed plane are represented differently from puncture points in other planes. This facilitates the movement of the instrument or the observation device.
  • the plane of the working structure depicted by the viewing device is mapped two-dimensionally, accordingly, penetration points of the displacement path through this plane or the projection of the planned displacement path into this plane are represented.
  • the work area is viewed stereoscopically and displayed three-dimensionally and that the displacement path is superimposed as a three-dimensional representation of the three-dimensional image of the work area.
  • This can be done, for example, by stereoscopic viewing known per se, in which two separate images are superimposed, which give the viewer a three-dimensional impression.
  • an image can be embedded in the beam path, which also three-dimensionally represents the desired displacement path, which is seen in the correct position in the three-dimensional actual image. This can be done in a similar manner, as is known, for example, from display instruments for aircraft, with which images appearing three-dimensionally at a certain position are also generated in the field of view of the viewer.
  • the displacement path at the point of intersection of the viewing plane passing through the focal point of the viewing device is identified, for example by means of a different coloring or different brightness. This shows the viewer the position of the sharply depicted plane of the work area, at the same time he can see three-dimensionally above and below areas of the work area and the course of the displacement path in this area.
  • the coordinates of the displacement path can be determined, for example, by means of a large number of sectional plane representations of the structure and in these defined penetration points of the displacement path.
  • the corresponding structures can be pre-examined with the aid of an X-ray radiation scanner or a magnetic resonance tomograph, ie sectional image representations of the structure are made.
  • the desired displacement paths are defined in these sectional image representations or in the corresponding data records, ie the coordinates of the penetration points of the displacement path are determined in these planes. If these data are taken together, a three-dimensional data record is obtained which describes the displacement path within the structure from the beginning to the end.
  • This data record is compared in the manner described with the data which describe the respective positioning of the viewing device relative to the structure and thus the position of the observed plane in the structure.
  • a device of the type described at the outset which is characterized by a measuring device for determining the position of the viewing device relative to the structure, by a comparison device for comparing the position data of the viewing device valid for each observed level with the coordinates of a predetermined displacement path of the work area and by means of a display unit which maps the predetermined displacement path in the correct position in the work area.
  • the viewing device depicts a plane of the working area sharply and that the point of intersection of the displacement path is depicted in the correct position in the plane observed.
  • the display unit additionally represents the point or points of intersection of the displacement path in at least one plane adjacent to the viewing plane in each plane shown.
  • the display unit connects the intersection points of different planes in the display with a line.
  • the display unit represents the point or points of penetration through the observed plane differently from points of penetration in other planes.
  • Another embodiment provides that the viewing device depicts a work area three-dimensionally and that the predetermined displacement path is superimposed on the three-dimensional representation of the work area in the correct location.
  • the displacement path is characterized by the point of intersection of the viewing plane passing through the focal point of the viewing device, for example by a different coloring or a different brightness.
  • the comparison device has a data memory in which a data record for the displacement path is stored relative to the structure.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an observation device with a position measuring device and a device for the correct mapping of the desired displacement path
  • FIG. 2 shows an illustration of the image observable for the person under observation with an illustration of the predetermined displacement path and an illustration of an instrument.
  • an endoscope 1 is used to view a structure to be examined, which is not shown in the drawing.
  • the endoscope 1 in a tube 2 has optics that are not shown in detail which has a focal plane at a certain distance from the end of the tube 2.
  • an instrument 3 is held on the tube 2 in the form of a tip, which ends in the focal plane. The front end of the instrument 3 thus marks the focal point of the viewing optics and is used at the same time as a keyboard instrument, as an electrode, as a probe or the like.
  • the light transmitted by the optical system of the endoscope 1 is converted in an image converter 4 into electrical signals which, after corresponding image processing in an image processing unit 5, are fed via a line 7 to a monitor 6 on which the surface viewed by means of the endoscope 1 is pictured.
  • the image can be processed electronically in the image processing unit 5 in a manner known per se, for example by contrast enhancement, by special coloring techniques or by enlargements etc.
  • the exact positioning of the endoscope 1 relative to the structure to be viewed is determined by suitable sensors 8, and the position signals generated in the process are fed to a position memory 10 via a line 9.
  • the sensors 8 can, for example, be ultrasound transmitters, which interact with corresponding ultrasound microphones on the structure, so that the relative positioning can be determined by means of various transit time measurements.
  • the signals determining the respective positioning are fed from the position memory 10 to a comparison device 11, which is also supplied with data records from a data memory 12, by means of which the coordinates of the desired displacement path of the endoscope or of an instrument in the structure to be observed.
  • FIG. 2 A possible image of a monitor display is shown in FIG. 2.
  • the entire viewing area that can be reached through the endoscope 1 is enclosed in a circle 14, the center point 15 of which is marked by a cross hair 16.
  • the center point 15 coincides with the optical axis of the endoscope 1, so that within the circle 14 an image of the structure is generated in the plane, which is perpendicular to the optical axis and collapses with the focal plane of the endoscope 1.
  • the center point 15 marks the point of intersection of the optical axis through this plane.
  • several additional markings can be seen in the area circumscribed by the circle 14, namely a filled point 17 and several circular points 18, all of which are connected to one another by a line 19.
  • the filled point 17 marks the point of penetration of the predetermined and desired line of displacement through the plane under consideration, the circles 18 on the one side of point 17 corresponding points of penetration in parallel planes above the plane under consideration and the circles on the other side of point 17 corresponding points of penetration in parallel planes below the considered plane. Circles 18 and point 17 thus represent a projection of the displacement path onto the plane in question, the point of intersection of the displacement path being marked by point 17.
  • the position in which the circles and points are displayed on the monitor results from the data record of the predetermined displacement path.
  • the position of the observed plane can be described mathematically by the position measurement of the endoscope 1, so that the penetration point, ie the distance from the optical axis and the angle relative to a certain direction, can be calculated by mathematically cutting the displacement path and this plane. This data is sufficient to display the puncture point on the monitor. If the user, for example, wants to guide the instrument 3 along the predetermined displacement path, he recognizes from the illustration in FIG. 2 that the tip of the instrument, which coincides with the optical axis and is thus marked by the cross hair 16, from the intersection of the desired displacement path is removed.
  • the user can achieve that point 17 on the monitor image is shifted into the crosshairs. If this is achieved, it is ensured that the tip of the instrument passes through the observed plane exactly at the point of intersection of the displacement path, that is to say is positioned in the desired manner. If the endoscope is pushed deeper into the structure, underlying levels are reached, which are then displayed, the circles 18 indicating to the user, before the endoscope is moved into a lower position, in which direction the endoscope is to be moved laterally, in order to be continued along the displacement path. The user can thus move the tip of the instrument 3 along the displacement path when inserting the endoscope if he tries to keep the respective point 17, which is of course different for each level observed, in the crosshairs.
  • the piercing point of this instrument can be observed through the observed plane on the monitor.
  • This piercing point is identified in the illustration in FIG. 2 by the reference symbol 20.
  • the instrument In order to ensure that this instrument is always displaced along the desired displacement path, the instrument must be displaced laterally until the point of penetration with the marked point 17 in the illustration overlaps. This ensures that the point of penetration of the instrument through the observed plane lies on the desired displacement path.
  • additional measures may have to be found for this, for example a specific design of the instrument only in its end region, so that this specific shape is monitored in the observed plane can be because the end of the instrument is currently in the level observed.
  • the endoscope does not necessarily have to follow the displacement path, but it can also take a different path, since the respective position measurement of the endoscope and the comparison of the data records ensure that the position of the Endoscope in the plane under consideration the point of penetration of the displacement path is displayed at the correct location.
  • the body is not yet opened by conventional techniques, for example by conventional computer tomography or by magnetic resonance imaging using a A large number of sectional images determines the three-dimensional shape of the body, that is to say the structure.
  • the desired displacement path ie the respective point of intersection of the displacement path, can be inserted into the corresponding sectional images in such a way that interpolation on the one hand provides a data set for the description of the three-dimensional structure and on the other hand a further data set for the Coordinates of the displacement path are obtained in this structure.
  • the endoscope and optionally an additional instrument are inserted into the body through body openings.
  • the level of the structure lying in the focal plane of the endoscope is shown on the monitor.
  • the point of penetration of the predetermined displacement path through the observed plane can be seen on the monitor, i.e.
  • the surgeon can, for example, ensure by lateral displacement of the endoscope that it is inserted into the structure exactly on the predetermined displacement movement. This correction can be carried out on any level using point 17, the circles 18 further show the operator in which direction the endoscope is to be displaced during further immersion in order to remain in the underlying planes along the desired displacement path.
  • the invention has been described above with reference to a two-dimensional representation of the working area, in which a plane of the working area lying in the focal plane of the viewing device is depicted sharply.
  • the exemplary embodiment shown can be modified such that, for example, a three-dimensional image of the work area appears by means of stereo-microscopic observation by superimposing two slightly different partial images.
  • the three-dimensional image is then also three-dimensionally superimposed on the predetermined displacement path, so that the viewer can observe the course of the displacement path in the working area over a certain layer thickness thereof.
  • the point of intersection of the displacement path is marked by the plane lying in the focal plane of the viewing device, be it by a different color, a different brightness or a different shape, for example a thickening.
  • it is equally essential that the positioning of the viewing device with respect to the three-dimensional structure is measured continuously and, depending on this measurement, the data of the displacement path stored in a memory are transferred to the display in the correct location.

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Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR DARSTELLUNG EINES ARBEITS¬ BEREICHES IN EINER DREIDIMENSIONALEN STRUKTUR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung eines Arbeitsbereiches in einer dreidimensionalen Struktur, bei dem man den Arbeitsbereich mit einem Betrachtungsgerät abbildet.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Darstellung eines Arbeitsbereiches in einer dreidimen¬ sionalen Struktur mit einem Betrachtungsgerät des Arbeits¬ bereiches.
Bei der Betrachtung von dreidimensionalen Strukturen mit Betrachtungsgeräten, also beispielsweise mit Endoskopen oder Mikroskopen, wird von den Betrachtungsgeräten eine senkrecht auf der optischen Achse des Betrachtungsgerätes stehende, in der Brennebene des Betrachtungsgerätes ange¬ ordnete Ebene scharf abgebildet, so daß ein Betrachter entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung einer Kamera und eines Monitors mittelbar eine Ebene der dreidi- mensionalen Struktur betrachten kann. Die dreidimensonale Struktur kann dabei beliebig sein, es kann sich beispiels¬ weise um das Innere einer Maschine, eines biologischen Präparates oder eines menschlichen oder tierischen Körpers handeln. Diese Strukturen sind oft außerordentlich kompli¬ ziert, so daß es günstig ist, nicht erst bei der eigent¬ lichen Betrachtung der Struktur zu entscheiden, wie das Betrachtungsgerät oder ein Instrument in der Struktur vorgeschoben werden soll, um eine bestimmte Stelle zu erreichen, sondern es erweist sich als günstig, den Vor¬ schubweg vorher zu planen.
Es ist Aufgabe, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß bei der Betrachtung einer dreidimen¬ sionalen Struktur der vorgeplante Verschiebeweg für das Betrachtungsgerät oder für ein Instrument für den Betrach¬ ter unmittelbar sichtbar wird, so daß er bei der Betrach¬ tung der Struktur unmittelbar die Vorschiebebewegung des Betrachtungsgerätes oder eines Instrumentes steuern kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be¬ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die relative Positionierung des Betrachtungsgerätes rela¬ tiv zu der Struktur bestimmt, daß man die Koordinaten eines Verschiebeweges für ein Instrument oder für das Betrachtungsgerät in der Struktur vorbestimmt, sie mit der jeweiligen Positionierung vergleicht und in der Abbildung des Arbeitsbereiches den Verschiebeweg ortsrichtig dar¬ stellt. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform geht man dabei so vor, daß man nacheinander jeweils eine Ebene der Struktur mit dem Betrachtungsgerät abbildet und in der Ab¬ bildung der jeweils beobachteten Ebene den oder die Durch- stoßpunkte des Verschiebeweges in der beobachteten Ebene ortsrichtig darstellt.
Durch eine genaue Messung der relativen Positionierung des Betrachtungsgerätes relativ zu der Struktur kann man genau bestimmen, welche Ebene in der Struktur im Betrachtungsge¬ rät abgebildet wird, nämlich eine senkrecht durch die op¬ tische Achse des Betrachtungsgerätes verlaufende und in der Brennebene des Betrachtungsgerätes liegende Ebene. Für jede beliebige Relativposition des Betrachtungsgerätes re¬ lativ zu der Struktur wird also eine andere Ebene scharf abgebildet.
Nach der Bestimmung dieser Ebene kann man den Schnittpunkt dieser Ebene mit einem vorbestimmten Verschiebeweg in der Struktur berechnen und dadurch genau bestimmen, in welcher Position der abgebildeten Ebene der vorbestimmte Ver¬ schiebeweg diese Ebene durchstößt. Wenn die optische Achse des Betrachtungsgerätes genau im Durchstoßpunkt des vorbe¬ stimmten Verschiebeweges angeordnet ist, befindet sich dieser Durchstoßpunkt in der Mitte der beobachteten Fläche, bei einer seitlichen Abweichung des Verschiebe¬ weges von der optischen Achse im Abstand zum Mittelpunkt der Abbildung. Es ist üblich, bei der Beobachtung der Ebe¬ nen die Positon der optischen Achse beispielsweise durch ein Fadenkreuz anzudeuten, so daß mit anderen Worten auf¬ grund der Bestimmung der Lage der beobachteten Ebene und des Vergleiches der Koordinaten dieser Ebene mit den Ko¬ ordinaten des vorbestimmten Verschiebeweges der Abstand und die Richtung bestimmt werden können, die von dem Fadenkreuz aus zurückgelegt werden müssen, um zum Durch- stoßpunkt des Verschiebeweges in der beobachteten Ebene zu gelangen.
Dieser Durchstoßpunkt in der beobachteten Ebene wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich dargestellt, beispielsweise durch Überlagerung auf einem Monitor oder durch Einblenden eines entsprechend positionierten Bildes in den Strahlengang des Mikroskopes. Der Beobachter kann also gleichzeitig das tatsächlich durch das Betrachtungs- gerät übermittelte Bild der abgebildeten Ebene beobachten und eine Markierung, die den Durchstoßpunkt des vorbe¬ stimmten Verschiebeweges durch diese Ebene anzeigt.
Wenn der Verschiebeweg für die Verschiebebewegung des Betrachtungsgerätes selbst bestimmt ist, kann durch seitliche Verschiebung des Betrachtungsgerätes dieses relativ zu der Struktur so positioniert werden, daß der Durchstoßpunkt in der optischen Achse angeordnet wird, d.h. der Beobachter verschiebt das Betrachtungsgerät relativ zur Struktur so lange, bis die Markierung des Durchstoßpunktes mit dem Fadenkreuz in der Abbildung übereinstimmt. Erfolgt dies in jeder Ebene, so ist sicher¬ gestellt, daß das optische Betrachtungsgerät längs des vorbestimmten Verschiebeweges verschoben wird. Ist der Verschiebeweg für ein Instrument bestimmt, so beobachtet der Benutzer die tatsächliche Position des Instrumentes in der beobachteten Ebene und verschiebt das Instrument seitlich so, daß es mit der Markierung des Durchstoßpunktes in Deckung kommt. Erfolgt dies in allen Ebenen, so ist sichergestellt, daß das Instrument längs des vorbestimmten Verschiebeweges geführt wird. Dabei ist wesentlich, daß eine solche Führung des Instrumentes längs des Verschiebeweges unabhängig davon ist, wie das Beobach¬ tungsgerät relativ zu der Struktur genau angeordnet ist, da durch die dauernde Messung der Relativposition des Betrachtungsgerätes relativ zu der Struktur und durch Ver¬ gleich des so gewonnenen Datensatzes mit den Koordinaten des vorbestimmten Verschiebeweges auch eine entsprechende Änderung des Abstandes und der Richtung des markierten Punktes vom Fadenkreuz erfolgt, so daß immer die relative Lage des Durchstoßpunktes relativ zum momentanen Fokus¬ punkt des Betrachtungsgerätes angezeigt wird.
Bei dem beschriebenen Verfahren muß zur Korrektur der Ver¬ schiebebewegung eines Instrumentes oder des Betrachtungs- gerätes eine Ebene nach der anderen beobachtet werden, wo¬ bei die Durchstoßpunkte entsprechend dem vorbestimmten Verschiebeweg wandern. Bei einer bevorzugten Ausführungs¬ form ist vorgesehen, daß man in jeder dargestellten Ebene neben den Durchstoßpunkten des Verschiebeweges zusätzlich den oder die Durchstoßpunkte des Verschiebeweges minde¬ stens einer der Betrachtungsebene benachbarten Ebene dar¬ stellt. Es werden also in der beobachteten Darstellung nicht nur die Durchstoßpunkte in der beobachteten Ebene dargestellt, sondern auch Durchstoßpunkte beispielsweise in einer darüber und einer darunter liegenden Parallel¬ ebene. Wenn der Verschiebeweg senkrecht zu den Ebenen verläuft, ergibt sich nach wie vor nur eine Markierung, wenn er jedoch gegenüber den beobachteten Ebenen geneigt ist, liegen die entsprechenden Markierungspunkte in der Darstellung nebeneinander. Die Betrachtungsperson kann daher auch erkennen, in welcher Richtung beispielsweise ein Instrument bewegt werden muß, wenn das Instrument senkrecht zur beobachteten Ebene in eine tieferliegende oder eine höherliegende Ebene verschoben wird. Dies kann für eine größere Anzahl von Ebenen der Fall sein, so daß in die beobachtete Ebene praktisch der Verschiebeweg pro- jiziert wird.
Dabei ist es günstig, wenn die Durchstoßpunkte verschiede¬ ner Ebenen in der Darstellung durch eine Linie verbunden werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der oder die Durchsto߬ punkte durch die beobachtete Ebene verschieden von Durch¬ stoßpunkten in anderen Ebenen dargestellt sind. Dies er¬ leichtert die Verschiebung des Instrumentes oder des Be¬ obachtungsgerätes.
Bei dem vorstehend näher erläuterten Verfahren wird die vom Betrachtungsgerät abgebildete Ebene der Arbeitsstruk¬ tur zweidimensional abgebildet, dementsprechend werden Durchstoßpunkte des Verschiebeweges durch diese Ebene oder die Projektion des geplanten Verschiebeweges in diese Ebene dargestellt. Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist vorgesehen, daß man den Arbeitsbereich stereoskopisch betrachtet und dreidimensional abbildet und daß man den Verschiebeweg als dreidimensionale Darstellung der dreidimensionalen Ab¬ bildung des Arbeitsbereiches ortsrichtig überlagert. Dies kann beispielsweise durch an sich bekannte stereoskopische Betrachtung erfolgen, bei der zwei getrennte Abbildungen überlagert werden, die beim Betrachter einen dreidimen¬ sionalen Eindruck erwecken. In den Strahlengang kann in geeigneter Weise ein Bild eingelagert werden, das eben¬ falls dreidimensional den gewünschten Verschiebeweg dar¬ stellt, der in der dreidimensionalen tatsächlichen Ab¬ bildung ortsrichtig gesehen wird. Dabei kann in ähnlicher Weise vorgegangen werden, wie dies beispielsweise von Anzeigeinstrumenten für Flugzeuge bekannt ist, mit denen auch im Blickfeld des Betrachters an einer bestimmten Position dreidimensional erscheinende Bilder erzeugt werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn man den Verschiebeweg im Durchstoßpunkt der durch den Brennpunkt des Betrachtungs- gerätes laufende Betrachtungsebene kennzeichnet, bei¬ spielsweise durch andere Farbgebung oder andere Hellig¬ keit. Dies zeigt dem Betrachter die Lage der scharf abge¬ bildeten Ebene des Arbeitsbereiches an, gleichzeitig kann er darüber und darunter liegende Bereiche des Arbeits¬ bereiches dreidimensional sehen und den Verlauf des Ver¬ schiebeweges in diesem Bereich.
Die Koordinaten des Verschiebeweges kann man beispiels¬ weise mittels einer Vielzahl von Schnittebenendarstel¬ lungen der Struktur und in diesen festgelegten Durchsto߬ punkten des Verschiebeweges bestimmen. So können in herkömmlicher Weise mit Hilfe eines Röntgen- strahlungs- oder eines Kernspintomographen die ent¬ sprechenden Strukturen voruntersucht werden, d.h. es wer¬ den Schnittbilddarstellungen der Struktur angefertigt. In diesen Schnittbilddarstellungen oder in den entsprechenden Datensätzen werden die gewünschten Verschiebewege festge¬ legt, d.h. es werden in diesen Ebenen die Koordinaten der Durchstoßpunkte des Verschiebeweges bestimmt. Nimmt man diese Daten zusammen, so erhält man einen dreidimensiona¬ len Datensatz, der den Verschiebeweg innerhalb der Struk¬ tur vom Anfang bis zum Ende beschreibt.
Dieser Datensatz wird in der beschriebenen Weise mit den Daten verglichen, die die jeweilige Positionierung des Betrachtungsgerätes relativ zu der Struktur und damit die Lage der beobachteten Ebene in der Struktur beschreiben.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Position des Betrachtungsgerätes relativ zu der Struktur, durch eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der für jede be¬ obachtete Ebene geltenden Positonsdaten des Betrachtungs¬ gerätes mit den Koordinaten eines vorbestimmten Ver¬ schiebeweges des Arbeitsbereiches und durch eine Dar¬ stellungseinheit, die den vorbestimmten Verschiebeweg ortsrichtig im Arbeitsbereich abbildet. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, daß das Betrachtungsgerät eine Ebene des Ar¬ beitsbereiches scharf abbildet und daß der Durchstoßpunkt des Verschiebeweges in der beobachteten Ebene ortsrichtig abgebildet ist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Darstellungseinheit in jeder dargestellten Ebene neben den Durchstoßpunkten des Verschiebeweges zusätzlich den oder die Durchstoßpunkte des Verschiebeweges mindestens einer der Betrachtungsebene benachbarten Ebene darstellt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Darstellungseinheit die Durchstoßpunkte verschiedener Ebenen in der Darstel¬ lung durch eine Linie verbindet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Darstellungseinheit den oder die Durchstoßpunkte durch die beobachtete Ebene verschieden von Durchstoßpunk¬ ten in anderen Ebenen darstellt.
Bei einer anderen Ausführungsart ist vorgesehen, daß das Betrachtungsgerät einen Arbeitsbereich dreidimensional abbildet und daß der vorbestimmte Verschiebeweg als drei¬ dimensionale Darstellung der dreidimensionalen Abbildung des Arbeitsbereiches ortsrichtig überlagert ist.
Dabei ist es günstig, wenn der Verschiebeweg den Durch¬ stoßpunkt der durch den Brennpunkt des Betrachtungsgerätes laufende Betrachtungsebene gekennzeichnet ist, beispiels¬ weise durch eine abweichende Farbgebung oder eine ab¬ weichende Helligkeit.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Vergleichseinrichtung einen Datenspeicher aufweist, in dem ein Datensatz für den Verschiebeweg relativ zur Struk¬ tur gespeichert ist.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Be¬ obachtungsgerätes mit einer Positions¬ meßeinrichtung und einer Vorrichtung zur ortsrichtigen Abbildung des gewünschten Verschiebeweges und
Fig. 2 eine Darstellung der für die Beobach¬ tungsperson beobachtbaren Abbildung mit einer Darstellung des vorbestimmten Ver¬ schiebeweges und einer Darstellung eines Instrumentes.
In der Darstellung der Fig. 1 wird ein Endoskop 1 verwen¬ det, um eine zu untersuchende Struktur, die in der Zeich¬ nung nicht dargestellt ist, zu betrachten.. Das Endoskop 1 weist dazu in einem Rohr 2 eine nicht näher dargestellte Optik auf, die in einem bestimmten Abstand vor dem Ende des Rohres 2 eine Brennebene aufweist. Bei dem in der Fi¬ gur dargestellten Ausführungsbeispiel ist an das Rohr 2 ein Instrument 3 in Form einer Spitze gehalten, welches in der Brennebene endet. Das Instrument 3 markiert also mit seinem vorderen Ende den Brennpunkt der Betrachtungsoptik und wird gleichzeitig als Tastinstrument, als Elektrode, als Sonde oder dergleichen, verwendet. Das vom optischen System des Endoskops 1 übertragene Licht wird in einem Bildumsetzer 4 in elektrische Signale umge¬ wandelt, die nach entsprechender Bildverarbeitung in einer Bildverarbeitungseinheit 5 über eine Leitung 7 einem Moni¬ tor 6 zugeführt werden, auf dem die mittels des Endoskops 1 betrachtete Fläche dargestellt wird.
In der Bildverarbeitungseinheit 5 kann das Bild in an sich bekannter Weise elektronisch verarbeitet werden, bei¬ spielsweise durch Konstrastverstärkung, durch spezielle Einfärbungstechniken oder durch Vergrößerungen etc.
Die exakte Positionierung des Endoskopes 1 relativ zu der zu betrachtenden Struktur wird über geeignete Sensoren 8 bestimmt, und die dabei erzeugten Positionssignale werden über eine Leitung 9 einem Positionsspeicher 10 zugeführt. Die Sensoren 8 können beispielsweise Ultraschallsender sein, die mit entsprechenden Ultraschallmikrophonen an der Struktur zusammenwirken, so daß durch verschiedene Lauf- zeitmessungen die Relativpositionierung feststellbar ist.
Die die jeweilige Positionierung bestimmenden Signale wer¬ den aus dem Positionsspeicher 10 einer Vergleichsein¬ richtung 11 zugeführt, die außerdem von einem Daten¬ speicher 12 aus mit Datensätzen versorgt wird, durch die die Koordinaten des gewünschten Verschiebeweges des Endos¬ kopes oder eines Instrumentes in der zu beobachtenden Struktur beschrieben werden.
Diese Datensätze werden durch vorherige Strukturbestim¬ mungen und durch Vorgabe des gewünschten Verschiebeweges in der so bestimmten Struktur gewonnen. In der Vergleichseinrichtung 11 werden die Positonsdaten des Endoskops 1 mit diesen Datensätzen des gewünschten Verschiebeweges verglichen, so daß genau festgestellt wer¬ den kann, an welcher Stelle der betrachteten Ebene der Verschiebeweg diese Ebene durchsetzt. Ebenso können in der Vergleichseinrichtung 11 entsprechende Daten für die Ebe¬ nen bestimmt werden, die über bzw. unter der betrachteten Ebene liegen, so daß für die verschiedenen Durchstoßpunkte des Verschiebeweges und dieser Ebenen entsprechende Ko¬ ordinaten zur Verfügung stehen. Diese Koordinaten werden über eine Leitung 13 auf den Monitor 6 übertragen und füh¬ ren dort zur Markierung der entsprechenden Koordinaten des Durchstoßpunktes in der dargestellten Ebene, d.h. es wird ein Bild einer solchen Markierung mit der unmittelbar vom Endoskop 1 gewonnenen Abbildung erzeugt.
In Fig. 2 ist ein mögliches Bild einer Monitordarstellung gezeigt. Der gesamte, durch das Endoskop 1 erreichbare Sichtbereich ist in einen Kreis 14 eingefaßt, dessen Mit¬ telpunkt 15 durch ein Fadenkreuz 16 markiert ist.
Der Mittelpunkt 15 fällt mit der optischen Achse des En¬ doskops 1 zusammen, so daß innerhalb des Kreises 14 eine Abbildung der Struktur in der Ebene erzeugt wird, die senkrecht auf der optischen Achse steht und mit der Brenn¬ ebene des Endoskops 1 zusammenfalt. Dabei markiert der Mittelpunkt 15 den Durchstoßpunkt der optischen Achse durch diese Ebene. Außerdem erkennt man in dem durch den Kreis 14 umschriebe¬ nen Bereich mehrere zusätzliche Markierungen, nämlich einen ausgefüllten Punkt 17 und mehrere kreisförmige Punk¬ te 18, die alle untereinander durch eine Linie 19 verbun¬ den sind.
Der ausgefüllte Punkt 17 markiert den Durchstoßpunkt der vorbestimmten und gewünschten Verschiebelinie durch die betrachtete Ebene, die Kreise 18 auf der einen Seite des Punktes 17 entsprechende Durchstoßpunkte in oberhalb der betrachteten Ebene liegenden Parallelebenen und die Kreise auf der anderen Seite des Punktes 17 entsprechende Durch¬ stoßpunkte in unterhalb der betrachteten Ebene liegenden Parallelebenen. Durch die Kreise 18 und den Punkt 17 wird also eine Projektion des Verschiebeweges auf die betrach¬ tete Ebene dargestellt, wobei der Durchstoßpunkt des Ver¬ schiebeweges durch den Punkt 17 markiert wird.
Die Lage, in der die Kreise und Punkte auf dem Monitor dargestellt werden, ergibt sich aus dem Datensatz des vor¬ bestimmten Verschiebeweges. Durch die Positionsmessung des Endoskopes 1 läßt sich die Lage der beobachteten Ebene mathematisch beschreiben, so daß man durch ein mathemati¬ sches Schneiden des Verschiebeweges und dieser Ebene den Durchstoßpunkt errechnen kann, d.h. den Abstand von der optischen Achse und den Winkel gegenüber einer bestimmten Richtung. Diese Daten reichen aus, um den Durchstoßpunkt auf dem Monitor abzubilden. Wenn der Benutzer beispielsweise das Instrument 3 längs des vorbestimmten Verschiebeweges führen will, erkennt er aus der Darstellung der Fig. 2, daß die Spitze des Instru¬ mentes, die mit der optischen Achse zusammenfällt und da¬ mit durch das Fadenkreuz 16 markiert wird, von dem Durch¬ stoßpunkt des gewünschten Verschiebeweges entfernt ist. Der Benutzer kann durch Verschiebung des Endoskopes und des daran gehaltenen Instrumentes erreichen, daß der Punkt 17 auf dem Monitorbild in das Fadenkreuz verschoben wird. Wird dies erreicht, so ist sichergestellt, daß die Spitze des Instrumentes die beobachtete Ebene genau im Durchstoß- punkt des Verschiebeweges durchsetzt, also in der ge¬ wünschten Weise positioniert ist. Schiebt man das Endoskop tiefer in die Struktur ein, erreicht man darunterliegende Ebenen, die dann dargestellt werden, wobei die Kreise 18 dem Benutzer bereits vor dem Verschieben des Endoskops in eine tiefere Lage angeben, in welcher Richtung des Endos¬ kops seitlich zu verschieben ist, um längs des Verschiebe¬ weges weitergeführt zu werden. Der Benutzer kann also beim Einschieben des Endoskops die Spitze des Instrumentes 3 längs des Verschiebeweges bewegen, wenn er sich bemüht, den jeweiligen Punkt 17, der selbstverständlich für jede beachtete Ebene verschieden ist, immer im Fadenkreuz zu halten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem ein separa¬ tes Instrument benutzt wird, wird der Durchstoßpunkt die¬ ses Instrumentes durch die beobachtete Ebene auf dem Moni¬ tor beobachtbar. Dieser Durchstoßpunkt ist in der Darstel¬ lung der Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Um sicherzustellen, daß dieses Instrument immer längs des gewünschten Verschiebeweges verschoben wird, muß das Instrument so lange seitlich verschoben werden, bis der Durchstoßpunkt mit dem markierten Punkt 17 in der Darstel¬ lung zur Deckung gelangt. Damit ist gewährleistet, daß der Durchstoßpunkt des Instrumentes durch die beobachtete Ebene auf dem gewünschten Verschiebeweg liegt. Allerdings ist damit noch nicht gewährleistet, daß auch die Einschub¬ tiefe des Instrumentes stimmt, hierzu müßten gegebenen¬ falls zusätzliche Maßnahmen gefunden werden, beispiels¬ weise eine bestimmte Ausbildung des Instrumentes nur in seinem Endbereich, so daß diese bestimmte Formgebung in der beobachteten Ebene überwacht werden kann, da sich das Ende des Instrumentes gerade in der jeweils beobachteten Ebene befindet.
Bei dieser Art der Verwendung muß das Endoskop nicht unbe¬ dingt dem Verschiebeweg folgen, sondern es kann auch einen anderen Weg einschlagen, da durch die jeweilige Positions¬ messung des Endoskops und durch den Vergleich der Daten¬ sätze gewährleistet ist, daß bei jeder Positionierung des Endoskops in der jeweils betrachteten Ebene der Durchsto߬ punkt des Verschiebeweges an der örtlich richtigen Stelle angezeigt wird.
Verwendet man die beschriebene Vorrichtung beispielsweise bei der Operation an einem Menschen, so wird zunächst vor der Operation bei noch nicht geöffnetem Körper durch kon¬ ventionelle Techniken, beispielsweise durch übliche Com¬ putertomographie oder durch Kernspintomographie durch eine Vielzahl von Schnittbildern die dreidimensionale Formge¬ bung des Körpers bestimmt, also die Struktur. In die ent¬ sprechenden Schnittbilder kann in jede Ebene der gewünsch¬ te Verschiebeweg, d.h. der jeweilige Durchstoßpunkt des Verschiebeweges, eingefügt werden, so daß man auf diese Weise durch Interpolation einerseits einen Datensatz für die Beschreibung der dreidimensionalen Struktur und andererseits einen weiteren Datensatz für die Koordinaten des Verschiebeweges in dieser Struktur erhallt.
Bei der eigentlichen Operation wird das Endoskop und gege¬ benenfalls ein zusätzliches Instrument durch Körperöffnun¬ gen in den Körper eingeführt. Auf dem Monitor wird jeweils die in der Brennebene des Endoskops liegende Ebene der Struktur abgebildet. Außerdem erkennt man auf dem Monitor den Durchstoßpunkt des vorbestimmten Verschiebeweges durch die beobachtete Ebene, d.h. der Operateur kann beispiels¬ weise durch seitliche Verschiebung des Endoskopes gewähr¬ leisten, daß dieses genau auf dem vorbestimmten Verschie¬ beweg in die Struktur eingeführt wird. Diese Korrektur kann anhand des Punktes 17 in jeder beliebigen Ebene erfolgen, die Kreise 18 zeigen dem Operateur weiter, in welcher Richtung des Endoskops beim weiteren Eintauchen zu verschieben ist, um auch in darunterliegenden Ebenenen längs des gewünschten Verschiebeweges zu bleiben.
Vorstehend ist die Erfindung anhand einer zweidimensio- nalen Darstellung des Arbeitsbereiches beschrieben worden, bei der also jeweils eine in der Brennebene des Betrach¬ tungsgerätes liegende Ebene des Arbeitsbereiches scharf abgebildet wird. Bei einem in der Zeichnung nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich dies so abwandeln, daß beispielsweise mittels einer stereo¬ skopischen Betrachtung durch Überlagerung von zwei gering¬ fügig unterschiedlichen Teilbildern eine dreidimensional erscheinende Abbildung des Arbeitsbereiches erzeugt wird. Dieser dreidimensional erscheinenden Abbildung wird dann der vorbestimmte Verschiebeweg ebenfalls dreidimensional überlagert, so daß der Betrachter den Verlauf des Ver¬ schiebeweges im Arbeitsbereich über eine bestimmte Schichtdicke desselben beobachten kann. Vorteilhafterweise wird dabei der Durchstoßpunkt des Verschiebeweges durch die in der Brennebene des Betrachtungsgerätes liegende Ebene markiert, sei es durch eine abweichende Farbe, eine abweichende Helligkeit oder eine unterschiedliche Form, z.B. eine Verdickung. Grundsätzlich ist bei dieser Ausführung der Erfindung jedoch in gleicher Weise wesent¬ lich, daß die Positionierung des Betrachtungsgerätes gegenüber der dreidimensionalen Struktur laufend gemessen und in Abhängigkeit von dieser Messung die in einem Speicher abgelegten Daten des Verschiebeweges ortsrichtig in die Darstellung übertragen werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Darstellung eines Arbeitsbereiches in einer dreidimensionalen Struktur, bei dem man den Arbeitsbereich mit einem Betrachtungsgerät abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß man die relative Positionierung des Betrachtungs¬ gerätes relativ zu der Struktur bestimmt, daß man die Koordinaten eines Verschiebeweges für ein Instrument oder für das Betraσhtungsgerät in der Struktur vorbe¬ stimmt, sie mit der jeweiligen Positionierung ver¬ gleicht und in der Abbildung des Arbeitsbereiches den Verschiebeweg ortsrichtig darstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nacheinander jeweils eine Ebene der Struktur mit dem Betrachtungsgerät abbildet und in der Abbildung der jeweils beobachteten Ebene den oder die Durchsto߬ punkte des Verschiebeweges in der beobachteten Ebene ortsrichtig darstellt.
. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in jeder dargestellten Ebene neben den Durchsto߬ punkten des Verschiebeweges zusätzlich den oder die Durchstoßpunkte des Verschiebeweges mindestens einer der Betrachtungsebene benachbarten Ebene darstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchstoßpunkte verschiedener Ebenen in der Dar¬ stellung durch eine Linie verbunden werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Durchstoßpunkte durch die beobachtete Ebene verschieden von Durchstoßpunkten in anderen Ebenen dargestellt sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Arbeitsbereich dreidimensional abbildet und daß man den Verschiebeweg als dreidimensionale Dar¬ stellung der dreidimensionalen Abbildung des Arbeits¬ bereiches ortsrichtig überlagert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Verschiebeweg im Durchstoßpunkt der durch den Brennpunkt des Betrachtungsgerätes laufenden Beobach¬ tungsebene kennzeichnet.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Koordinaten des Verschiebeweges mittels einer Vielzahl von Schnitt¬ ebenendarstellungen der Struktur und in diesen fest¬ gelegten Durchstoßpunkten des Verschiebeweges bestimmt.
9. Vorrichtung zur Darstellung eines Arbeitsbereiches in einer dreidimensionalen Struktur mit einem Betrach¬ tungsgerät zur Abbildung des Arbeitsbereiches, gekenn¬ zeichnet durch eine Meßeinrichtung (8, 10), zur Be¬ stimmung der Position des Betrachtungsgerätes (1) relativ zu der Struktur, durch eine Vergleichsein¬ richtung zum Vergleich der für jede beobachtete Ebene geltenden Positionsdaten des Betrachtungsgerätes (1) mit den Koordinaten eines vorbestimmten Verschiebe¬ weges im beobachteten Arbeitsbereich und durch eine Darstellungseinheit (6), die den Verschiebeweg orts¬ richtig im Arbeitsbereich abbildet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Betrachtungsgerät (1) eine Ebene des Arbeits¬ bereiches scharf abbildet und daß der Durchstoßpunkt (17) des Verschiebeweges in der beobachteten Ebene ortsrichtig abgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellungseinheit (6) in jeder dargestellten Ebene neben den Durchstoßpunkten (17) des Verschiebe¬ weges zusätzlich den oder die Durchstoßpunkte (18) des Verschiebeweges mindestens einer der Betrachtungsebene benachbarten Ebene darstellt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellungseinheit (6) die Durchstoßpunkte (17, 18) verschiedener Ebenen in der Darstellung durch eine Linie (19) verbindet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Darstellungseinheit (6) den oder die Durchstoßpunkte (17) durch die beobachtete Ebene verschieden von Durchstoßpunkten (18) in anderen Ebenen darstellt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Betrachtungsgerät (1) einen Arbeitsbereich dreidimensional abbildet und daß der vorbestimmte Verschiebeweg als dreidimensionale Darstellung der dreidimensionalen Abbildung des Arbeitsbereiches orts¬ richtig überlagert ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebeweg im Durchstoßpunkt der durch den Brennpunkt des Betrachtungsgerätes (1) laufenden Betrachtungsebene gekennzeichnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (11) einen Datenspeicher (12) aufweist, in dem ein Daten¬ satz für den Verschiebeweg relativ zur Struktur ge¬ speichert ist.
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